Teilchenphysik: Der schwere Abschied von der Supersymmetrie

Blog17. April 2018, 07:00
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Die Supersymmetrie wäre eine höchst elegante und "schöne" Erweiterung des klassischen Standardmodells, aber keine ihrer Vorhersagen konnte bisher bestätigt werden

Bisher habe ich mich in dieser Serie mit wissenschaftlichen Irrtümern der Vergangenheit beschäftigt. Anders ist es ja auch nicht möglich, denn niemand kann in die Zukunft schauen. Aber angesichts der Vergangenheit ist mit Sicherheit davon auszugehen, dass wir auch jetzt dabei sind, Fehler zu machen, die erst in der Zukunft aufgedeckt werden. Worum es sich dabei handelt, werden wir erst erfahren – aber es braucht nicht viel Spekulation, um zu vermuten, dass einige dieser Fehler im Bereich der Teilchenphysik stattfinden werden.

Im Juli 2008 habe ich die jährlich stattfindenden "Nobel Laureate Meetings" in Lindau am Bodensee besucht. Damals war man gerade dabei, die Konstruktionsarbeiten am großen Teilchenbeschleuniger LHC am Cern abzuschließen, und eine Gruppe von Physik-Nobelpreisträgern gab eine Pressekonferenz, um zu erklären, was man vom neuen Instrument erwarten könne. Sie alle waren sich einig, dass man damit früher oder später das Higgs-Teilchen finden werde.

Das ist im Juli 2012 dann ja auch tatsächlich passiert: Das in den 1960ern theoretisch vorhergesagte Teilchen, das im sogenannten "Standardmodell der Teilchenphysik" für die unterschiedlichen Massen der Grundbestandteile der Materie verantwortlich ist, wurde experimentell nachgewiesen.

Neue Physik gefragt

Die Vorhersage wurde bestätigt – und seitdem hat man am LHC jede Menge weitere interessante Entdeckungen gemacht. Aber keine davon ging über das Standardmodell hinaus. Bei der Pressekonferenz im Jahr 2008 drückte der Physiker Martin Veltman seine Hoffnung aus, der LHC werde etwas finden, mit dem niemand rechnet und das nicht den Vorhersagen des Standardmodells entspricht. Denn das würde zwangsläufig zur Entwicklung ganz neuer Theorien und Modelle führen.

Hypothesen, die über das Standardmodell hinausgehen, gibt es natürlich jede Menge. Die Forscher wissen, dass sie nötig sind, da mit den gegenwärtigen Theorien viele Phänomene (zum Beispiel die Natur der dunklen Materie oder die Masse von Neutrinos) nicht erklärt werden können. Es braucht eine neue Physik, aber niemand weiß genau, wo sie zu finden ist. Vom LHC erhoffte man sich Ergebnisse, die die Richtung weisen, in die man zu gehen hat. Genau das ist aber nicht passiert. Alles, was dort bis jetzt entdeckt wurde, entspricht genau dem, was vom Standardmodell zu erwarten war.

Elegante Hypothese

Besonders große Hoffnungen hatten die Teilchenphysiker in die "Supersymmetrie" gesetzt. Bei der Pressekonferenz in Lindau waren viele Nobelpreisträger davon überzeugt, dass man am LHC supersymmetrische Teilchen entdecken würde, noch lange bevor das Higgs-Teilchen nachgewiesen werden könne. Die Idee der Supersymmetrie existiert seit den 1960er-Jahren und besagt, dass alle bisher bekannten Elementarteilchen jeweils ein noch unentdecktes Partnerteilchen besitzen. Das Prinzip lässt sich mit der Beziehung zwischen Materie und Antimaterie vergleichen, nur dass sich die Teilchen hier nicht durch ihre elektrische Ladung unterscheiden, sondern durch schwer zu veranschaulichende Quanteneigenschaften.

Würde es die supersymmetrischen Teilchen geben, ließen sich damit einige Probleme lösen. Man wüsste, in welche Richtung man neue Theorien zur Teilchenphysik weiterentwickeln könnte. Man erhielte Hinweise, ob und wie sich die Gravitation mit der Quantenmechanik vereinen lässt, könnte das Problem der dunklen Materie lösen – und so weiter. Die Supersymmetrie wäre eine höchst elegante und "schöne" Erweiterung des klassischen Standardmodells – und genau deswegen fällt es so vielen Wissenschaftern auch so schwer, diese Idee aufzugeben.

"Schöne" und "hässliche" Theorien

Mangels konkreter Hinweise aus der Beobachtung der Natur orientiert man sich in der theoretischen Physik oft an abstrakten Prinzipien, die eigentlich eher philosophisch und nicht wissenschaftlich begründet sind. Dazu gehört auch die "Natürlichkeit". Das bedeutet in diesem Fall, dass eine über das Standardmodell hinausgehende Theorie – vereinfacht gesagt – nur von Parametern bestimmt werden sollte, die die gleiche Größenordnung haben. Die Zahlen, die das fundamentale Gerüst der Theorie bestimmen, sollen nicht beliebig groß oder klein werden, sondern alle "vernünftige" beziehungsweise "schöne" Werte haben.

In der Vergangenheit sind Physiker (und Mathematiker) mit diesem Prinzip oft erfolgreich gewesen. "Schöne" Theorien haben sich oft als korrekt herausgestellt, und wenn irgendwo "hässliche" Eigenschaften aufgetaucht sind, war das oft ein Zeichen dafür, dass irgendwas nicht stimmte (ein Beispiel dafür ist die "hässliche" Epizykeltheorie der Planetenbewegung aus der Antike, die durch das "schönere" heliozentrische Modell des Sonnensystems der Neuzeit ersetzt wurde). Auch die Supersymmetrie hätte das Potenzial, eine "schöne" neue Theorie der Teilchenphysik zu sein.

Nur konnte bis jetzt keine ihrer Vorhersagen bestätigt werden. Die Teilchen, deren Existenz sie vorhersagt, hätte der LHC eigentlich schon längst entdecken müssen. Natürlich kann man die Hypothesen der Supersymmetrie modifizieren. Man kann sie auf andere Art und Weise "schön" machen und erhält dann Vorhersagen über Teilchen, zu deren Nachweis nur größere Beschleuniger als der LHC in der Lage sind. So kann man die Idee der "Natürlichkeit" retten, die ausbleibenden Entdeckungen der Gegenwart rechtfertigen und die Bestätigung der Hypothese in die Zukunft verlagern.

Wider die "Natürlichkeit"

Und vielleicht funktioniert das ja auch. Vielleicht wird der LHC weiter nichts anderes tun, als das zu bestätigen, was wir wissen. Das Universum ist nicht verpflichtet, auf unseren technischen Fortschritt zu achten und uns mit jedem neuen Instrument auch neue Erkenntnisse zu liefern (selbst wenn es das bis jetzt immer getan hat). Vielleicht brauchen wir diesmal eben wirklich ganz andere Instrumente, wenn wir etwas Neues entdecken wollen. Vielleicht müssen wir uns aber auch von der Idee der "Natürlichkeit" verabschieden und akzeptieren, dass die Natur manchmal eben nicht "schön" ist. Vielleicht müssen wir auch in den "hässlichen" Ecken nach neuen Theorien suchen.

Die theoretische Physikerin und Wissenschaftsautorin Sabine Hossenfelder hat die Lage einmal so zusammengefasst: "We've maneuvered ourselves into a dead end by relying on aesthetic guidance to decide which experiments are the most promising."

Wenn die Idee der "Natürlichkeit" tatsächlich zu den zukünftigen Irrtümern der Wissenschaft gehört, dann sollten wir uns möglichst schnell daranmachen, einen Weg aus dieser Sackgasse zu finden. (Florian Freistetter, 17.4.2018)

  • Mit dem Large Hadron Collider (LHC) am Cern wurden wichtige Entdeckungen gemacht. Zu einer neuen Physik haben sie aber nicht geführt.
    foto: reuters

    Mit dem Large Hadron Collider (LHC) am Cern wurden wichtige Entdeckungen gemacht. Zu einer neuen Physik haben sie aber nicht geführt.

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